JP5271500B2

JP5271500B2 - バッテリ駆動式建設機械

Info

Publication number: JP5271500B2
Application number: JP2007070986A
Authority: JP
Inventors: 篤司田中
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2007-03-19
Filing date: 2007-03-19
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2027-03-19
Also published as: JP2008236871A

Description

本発明は、バッテリと、このバッテリの電力で駆動する電動機と、この電動機によって駆動する油圧ポンプとを有するバッテリ式油圧ショベル等のバッテリ駆動式建設機械に関する。

昨今、油圧ショベルとして特許文献１に示されるように、低騒音やゼロ排ガスを特徴とする環境に優しいバッテリ式油圧ショベル等のバッテリ駆動式建設機械が開発されてきている。バッテリ式油圧ショベルは、バッテリで蓄電した電力をインバータを介して電動モータ、すなわち電動機に供給してこの電動機を駆動し、さらにこの電動機によってアクチュエータを駆動する構成になっており、騒音源、排ガス源となるエンジンを備えない構成となっている。このようなバッテリ式油圧ショベルは一般に、作業環境に制約を受けやすい住宅近郊での夜間作業等に好適である。

バッテリ式油圧ショベルは、バッテリに蓄電される電力に限りがあることから、このバッテリ電力の効率的な使用が要求される。例えば、作業時以外では運転室の暖房等に電力が消費されることになる。なお、運転室の暖房に関しては、特許文献２に、作業に伴って流量制御弁、すなわちコントロールバルブで絞られて温められた圧油の熱を、熱交換器を介して熱交換し、これによって運転室内を温めるようにしたものが提案されている。

ところで、作業中は例えば上述の特許文献２に示されるように、圧油すなわち作動油が温まった時点で運転室内へ温風が供給されるので問題はないが、油圧ショベルの始動時には作動油は温まっていないので、この作動油によって暖房することはできない。このようなことから、油圧ショベルの始動前に暖機運転を実施して予熱することが必要になる。

作動油を予熱する手段として、従来、外部電力を利用して予熱する特許文献３に示されるもの、また，バッテリの電力を用いて予熱する特許文献４に示されるものがある。なお、本発明のバッテリ駆動式建設機械とは対象の異なる電気自動車の充電に関するものであるが、特許文献５にタイマーにより充電し、その後に運転席のエアコンを作動させるようにしたものが提案されている。
特開２０００−２７３９１３公報実開平５−１００２０号公報特開平１０−３３１２０５号公報特開平１１−２２９４３０号公報特開平１０−２６２３０５号公報

始動前に作動油の予熱を実施する従来技術のうちの特許文献４に示されるものは、予熱にバッテリ電力を使用するので、バッテリ電力の省力化を実施することができない。また、特許文献３に示されるものは、外部電力を使用するのでバッテリ電力の消費は抑えられるものの、予熱用の電力回路を特別に付設する必要があることから、複雑な構造となって製作費が高くなりやすい。なお、特許文献５に示されるように、タイマーでの充電の後にエアコンによる暖房を実施しようとするものでは、暖房されるまでに時間がかかる問題がある。

本発明は、上述した従来技術における実状からなされたもので、その目的は、予熱のための特別な電力回路を付設することなく、また、タイマーによることなく、充電中に油圧回路を流れる圧油を予熱することができるバッテリ駆動式建設機械を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、バッテリと、バッテリ電力を制御するインバータと、このインバータの出力電力により駆動する電動機と、この電動機によって駆動する油圧ポンプと、この油圧ポンプから吐出される圧油に熱を発生させる弁機構とを含む油圧回路と、この油圧回路で温められた圧油の熱を交換する熱交換手段とを備えたバッテリ駆動式建設機械において、上記バッテリに外部電源からの電力を利用して充電する充電手段と、この充電手段の出力側の電圧を検出する電圧検出手段と、上記充電手段の出力側の電流を検出する電流検出手段と、上記油圧回路の上記圧油の温度を検出する油温検出手段と、上記充電手段から上記バッテリへの電力の供給、供給停止を制御する第１切換手段と、上記充電手段から上記インバータへの電力の供給、供給停止を制御する第２切換手段とを備え、上記充電手段の作動、作動停止を指示する制御スイッチから出力される信号に応じて上記第１切換手段を切り換え、充電時に運転室内の暖房をするかどうかを指示する予熱スイッチの信号に応じて上記第２切換手段を切り換えるとともに、上記電圧検出手段から出力される信号、上記電流検出手段から出力される信号、及び上記油温検出手段から出力される信号に応じて、上記充電手段の充電電力と発熱用電力とを制御する制御手段を備えたことを特徴としている。

このように構成した本発明にあっては、制御手段によって第１切換手段及び第２切換手段を選択的に切り換えることにより、外部電源からの電力によって充電する充電手段からバッテリに供給される充電電力と、充電手段からインバータに供給される発熱用電力とが制御される。発熱用電力によって電動機が駆動し、この電動機によって油圧ポンプが駆動し、油圧回路内に油圧ポンプから吐出される圧油が流れ、この圧油が弁機構を介して発熱する。発熱した圧油は熱交換手段で熱交換され、これによって暖房することができる。すなわち、充電手段の一部の電力を発熱用電力とすることができるので、予熱のための特別な電力回路を付設することなく、また、タイマーによることなく、充電中に油圧回路を流れる圧油を予熱し、その発熱を利用して暖房することができる。

また、充電手段の出力電圧を検出する電圧検出手段、充電手段の出力電流を検出する電流検出手段からの信号に応じて制御手段はバッテリに供給される電力を制御するので、バッテリへ充電しながら暖房用に電力を配電するようにしてあっても、電圧がバッテリに対して過電圧にならないように電流を制御する特別な装置は不要となる。また、油圧回路の圧油の温度を検出する油温検出手段からの信号に応じて制御手段はインバータに供給される電力を制御するので、適切な油温による暖房を実施できる。

本発明は、外部電力が供給されるバッテリの充電手段を利用し、その電力の一部を暖房へのエネルギとして活用することができるので、予熱のための特別な電力回路を付設することなく、また、タイマーによることなく、充電中に油圧回路を流れる圧油を予熱することができる。これにより、従来に比べて構造を簡単にすることができ、これに伴って製作費を抑えることができるとともに、始動時に従来よりも早く暖房することができる。また、電圧がバッテリに対して過電圧にならないように電流を制御する特別な装置は不要となり、これによっても構造を簡単にすることができる。また、適切な油温による暖房を実施でき、精度の良い暖房性能を確保できる。

以下，本発明に係るバッテリ駆動式建設機械を実施するための最良の形態を図に基づいて説明する。

［本実施形態の構成］
図１は本発明のバッテリ駆動式建設機械の一実施形態を構成するバッテリ式油圧ショベルを示す側面図、図２は本実施形態に備えられる駆動回路を示す回路図、図３は図２に示す駆動回路に備えられるコントローラの構成を示す図である。

本実施形態は、掘削作業等が可能なフロント作業機すなわちリンク機構を油圧システムで作動させ、旋回及び走行を電動機すなわち電動モータで直動させるバッテリ式油圧ショベルである。また、３相交流の電動モータを設けてあり、バッテリからの直流−交流変換を行うインバータを備えている。

図１に示すように、本実施形態に係るバッテリ式油圧ショベル１は、旋回体２と、その旋回体２に上下方向の回動可能に装着されるリンク機構３と、旋回体２の下方に配置される走行体４とを備えている。リンク機構３は、旋回体２に取り付けられるブーム３１、このブーム３１の先端に取り付けられるアーム３２、このアーム３２の先端に取り付けられるバケット３３の他に、ブームシリンダ３４ａ、アームシリンダ３４ｂ、バケットシリンダ３４ｃを含んでいる。走行体４は、主にトラックフレーム４１と、旋回体２を回動させる旋回輪ベアリング４２と、走行機構４３Ｌ，４３Ｒと、無限軌道履帯４４Ｌ，４４Ｒとを含んでいる。

図１に示すバッテリ式油圧ショベルに備えられる図２に示される駆動回路に含まれる構成要素のうちの外部電源、例えば商用電源９を除くものは、旋回体２に搭載されている。この図２は１００Ｖ，２００Ｖ等の商用電源９によって充電されている状態を示している。

商用電源９より充電手段すなわち充電器２２に電力が供給されると、充電器２２の電力はバッテリ２１、及びインバータ２３へ供給可能となる。充電器２２からバッテリ２１への電力の供給、供給停止すなわちオンオフは、第１切換手段例えばコンタクタ２７５で行われ、充電器２２からインバータ２３への電力の供給、供給停止すなわちオンオフは、第２切換手段例えばコンタクタ２７４で行われる。インバータ２３は電動機、すなわち電動モータ２４へ制御電力を供給する。電動モータ２４は油圧回路２５に含まれる油圧ポンプ２５１へ回転動力を与える。

油圧回路２５においては、油圧ポンプ２５１が作動油タンク２５４から作動油を吸入し、コントロールバルブ２５２へ吐出する。コントロールバルブ２５２は、作動油流量を制御し、リンク機構３に含まれるブームシリンダ３４ａ等のアクチュエータへ作動油を供給する。これによりリンク機構３が駆動し、掘削作業等が実施される。なお、旋回、走行は、インバータ２３を介して供給される電力によって図示しない旋回用電動モータ、走行用電動モータが駆動することによって行われる。

例えば油圧ポンプ２５１の吐出管路には、吐出された圧油の温度を検出する油温検出手段、例えば油温センサ２７３と、リリーフ弁２５３とを設けてある。このリリーフ弁２５３、及びコントロールバルブ２５２等の弁体は、油圧ポンプ２５１から吐出される圧油に熱を発生させる弁機構を構成している。

リリーフ弁２５３の下流側は、運転室２８内に配置される熱交換手段、すなわち熱交換器２８１に接続されており、この熱交換器２８１で作動油の熱が運転室２８内の暖気に変換され、運転室２８内の暖房が可能となる。

運転室２８内には、操作者が充電器２２の作動、及び作動停止を指示する制御スイッチ２８２と、充電時に運転室２８内の暖房をするかどうかを指示する予熱スイッチ２８３を配置してある。

また、本実施形態は、充電器２２からの出力電圧を検出する電圧センサ２７１、充電器２２からの出力電流を検出する電流センサ２７２、油圧回路２５を流れる圧油の温度を検出する油温センサ２７３からそれぞれ出力される信号、及び上述した制御スイッチ２８２、予熱スイッチ２８３から出力される信号に応じて、コンタクタ２７５，２７４を適宜切り換えて、充電器２２の充電電力と発熱用電力とを制御する制御手段、すなわちコントローラ２６を備えている。

図３に示すように、このコントローラ２６は、制御スイッチ２８２から出力される信号Ｓ１ｉｎに基づいて判定を行い、その判定結果に相応する信号Ｓ１ｏｕｔを充電器２２お呼びコンタクタ２７５に出力する判定器２６１と、予熱スイッチ２８３から出力される信号Ｓ２ｉｎに基づいて判定を行い、その判定結果に相応する信号Ｓ２ｏｕｔをインバータ２３及びコンタクタ２７４に出力する判定器２６２とを備えている。

また、油圧回路２５のリリーフ弁２５３等における圧損による発熱量、例えばリリーフ弁２５３の入口と出口間の差圧と通過流量の積にほぼ等しいと考えられる発熱量を考慮し、油圧ポンプ２５１を駆動する電動モータ２４に対するインバータ２３の供給馬力の目標値Ｐｏを設定するとともに、充電器２２の制御電流の目標値Ｉｏを設定し、さらに油圧回路２５を流れる圧油の上限温度、すなわち上限値Ｔｏを設定する目標値設定器２６３を備えている。

また、判定器２６２から出力される信号Ｓ２ｏｕｔとインバータ２３の供給馬力の目標値Ｐｏとの積を求め、指令値Ｐ’ｏを出力する乗算器２６４と、この乗算器２６４から出力される指令値Ｐ’ｏを電圧センサ２７１から出力される信号Ｖｓｅｎで除算し、加算電流ΔＩｏを出力する増幅器２６５と、この増幅器２６５から出力される加算電流ΔＩｏと充電器２２の制御電流の目標値Ｉｏとを加算し、最終目標値Ｉ’ｏを出力する加算器２６６とを備えている。

また、加算器２６６から出力される充電器２２の制御電流の最終目標値Ｉ’ｏと、電圧センサ２７１の信号Ｖｓｅｎと、電流センサ２７２の信号Ｉｓｅｎとが入力され、定電流・定電圧制御を行う制御器２６９と、目標値設定器２６３から出力される上限値Ｔｏと温度センサ２７３から出力される信号Ｔｓｅｎに基づいて判定を行い、その結果に相応する信号Ｔｏｕｔを出力する判定器２６８と、制御器２６９から出力される信号と判定器２６８から出力される信号Ｔｏｕｔとを乗算し、その積に相応する信号を充電器２２に出力する乗算器２６７とを備えている。

［本実施形態の動作］
上述したコントローラ２６においては、図３に示すように、制御スイッチ２８２からの信号、すなわちバッテリ２１への充電の指示に相応する信号Ｓ１ｉｎが判定器２６１に入力される。判定器２６１では、
Ｓ１ｉｎ≠０のとき、Ｓ１ｏｕｔ＝１
Ｓ１ｉｎ＝０のとき、Ｓ１ｏｕｔ＝０
の判定が行われ、信号Ｓ１ｏｕｔが充電器２２、及びコンタクタ２７５へ出力される。充電器２２は信号Ｓ１ｏｕｔを受け、スイッチＯＮ、すなわちＳ１ｏｕｔ＝１のときスタンバイ状態となる。これとともに、コンタクタ２７５がＯＮとなり、充電器２２からバッテリ２１へ通電可能な状態となる。

また、予熱スイッチ２８３からの信号、すなわち暖房開始に相応する信号Ｓ２ｉｎが判定器２６２に入力される。判定器２６２では、
Ｓ２ｉｎ≠０のとき、Ｓ２ｏｕｔ＝１
Ｓ２ｉｎ＝０のとき、Ｓ２ｏｕｔ＝０
の判定が行われ、信号Ｓ２ｏｕｔがインバータ２３、及びコンタクタ２７４へ出力される。インバータ２３は信号Ｓ２ｏｕｔを受け、スイッチＯＮ、すなわちＳ２ｏｕｔ＝１のときスタンバイ状態となる。これとともに、コンタクタ２７４がＯＮとなりインバータ２３から電動モータ２４へ通電可能な状態となる。

目標値設定器２６３では、上述したように油圧ポンプ２５１を駆動する電動モータ２４に対するインバータ２３の供給馬力の目標値Ｐｏと、充電器２２の制御電流の目標値Ｉｏと、油圧回路２５を流れる油、すなわち作動油の温度の上限値Ｔｏの３つの目標値が設定される。

乗算器２６４では、判定器２６２からの信号Ｓ２ｏｕｔと、供給馬力の目標値Ｐｏの乗算を行う。すなわち、予熱スイッチ２８３がＯＮのとき、信号Ｓ２ｏｕｔ＝１であるので、
Ｓ２ｏｕｔ×Ｐｏ＝１×Ｐｏ＝Ｐ’ｏ
となり、指令値Ｐ’ｏ＝Ｐｏが増幅器２６５に出力される。

増幅器２６５では、電圧センサ２７１で検出された充電器２２の出力電圧、すなわち信号Ｖｓｅｎが入力され、上述の指令値Ｐ’ｏと除算され、加算電流ΔＩｏが求められる。この加算電流ΔＩｏは、暖房のための発熱に必要な電力を得るために、インバータ２３へ供給される電流分である。加算器２６６では、加算電流ΔＩｏと目標値Ｉｏとが加算され、最終目標値Ｉ’ｏとして制御器２６９に入力される。

図４は充電制御として一般に実施されている定電流・定電圧制御を説明する図、図５は図２に示すコントローラに備えられる制御器で実施される制御を説明する図である。

一般的な定電流・定電圧制御は、図４に示すように、バッテリ２１の端子電圧、電流を測定し、電圧が上限値に到達するまで定電流で制御される。また、電圧が上限値に到達した後には、その電圧の上限値を一定に保つように電流を制御する定電圧制御が行われる。通常は、電流がほぼ０Ａになった時点で制御が停止する。この制御は、検出電圧、検出電流を観察しながら、目標値を維持するフィードバック制御が一般的である。なお、定電圧制御を行う理由は、バッテリ２１への電圧が過電圧になると、バッテリ２１によっては電解質の気化が始まり、使用不可の状態なったり、さらには何らかの要因で引火し爆発する可能性があるためである。

これに対して、本実施形態の制御器２６９では、図５に示す定電流・定電圧制御が行われる。すなわち、最終目標値Ｉ’ｏは発熱のためのΔＩｏを加算されたものなので、制御器２６９から充電器２２へ出力する信号、すなわち制御器２６９から充電器２２へ出力する電流は、図５に示される従来の細実線から太実線へ変換される。定電圧制御域に到達すると、電流はΔＩｏを加算した状態で定電圧を維持するように制御される。なお、充電器２２は、バッテリ２１側に図５の細実線で示す電流を供給し、インバータ２３側に同図５の太実線と細実線の差に相応する電流を供給する。また、充電完了後は、同図５に示すように、充電器２２からバッテリ２１側に供給される電流は略０となる。

図３に示すように、乗算器２６７では、制御器２６９から出力される信号と、判定器２６８から出力される信号Ｔｏｕｔとが乗算される。判定器２６８では、作動油の上限値Ｔｏと、油温センサ２７３から出力される検出温度、すなわち信号Ｔｓｅｎとが比較され、信号Ｔｓｅｎが上限値Ｔｏに到達していないときにはＴｏｕｔ＝１、到達したときにＴｏｕｔ＝０を出力することが行われる。これらは、作動油の温度が要求温度に到達したかどうか、すなわち運転室２８の暖房が得られる要求温度に到達したかどうかの判定である。乗算器２６７の乗算の結果、作動油の温度が上限値Ｔｏより小さいときには予熱制御が継続され、作動油の温度が上限値Ｔｏ以上になったときには、図５に示す定電流・定電圧制御が停止する。

上述のように本実施形態では、コントローラ２６によってコンタクタ２７５，２７４を同時にオンに切り換えることにより、商用電源９からの電力によって充電する充電器２２からバッテリ２１に供給される充電電力と、充電器２２からインバータ２３に供給される発熱用電力とが制御される。発熱用電力によって電動モータ２４が駆動し、この電動モータ２４によって油圧ポンプ２５１が駆動し、油圧回路２５内に油圧ポンプ２５１から吐出される圧油が流れ、この圧油がリリーフ弁２５３、コントロールバルブ２５２等を介して発熱する。発熱した圧油は例えば運転室２８内の熱交換器２８１で熱交換され、これによって運転室２８内を暖房することができる。すなわち、充電器２２の一部の電力を発熱用電力とすることができるので、予熱のための特別な電力回路を付設することなく、また、タイマーによることなく、充電中に油圧回路２５を流れる圧油を予熱し、その発熱を利用して運転室２８内を暖房することができる。これにより構造を簡単にすることができ、これに伴って製作費を抑えることができるとともに、始動時に早く暖房することができる。

また、充電器２２の出力電圧を検出する電圧センサ２７１、充電器２２の出力電流を検出する電流センサ２７２からの信号に応じてコントローラ２６はバッテリ２１に供給される電力を制御するので、バッテリ２１へ充電しながら暖房用に電力を配電するようにしてあっても、電圧がバッテリ２１に対して過電圧にならないように電流を制御する特別な装置は不要となる。これによっても構造を簡単にすることができる。また、油圧回路２５の圧油の温度を検出する油温センサ２７３からの信号に応じてコントローラ２６はインバータ２３に供給される電力を制御するので、適切な油温による暖房を実施でき、精度の良い暖房性能を確保できる。

本発明のバッテリ駆動式建設機械の一実施形態を構成するバッテリ式油圧ショベルを示す側面図である。本実施形態に備えられる駆動回路を示す回路図である。図２に示す駆動回路に備えられるコントローラの構成を示す図である。充電制御として一般に実施されている定電流・定電圧制御を説明する図である。図２に示すコントローラに備えられる制御器で実施される制御を説明する図である。

符号の説明

１バッテリ式油圧ショベル（バッテリ駆動式建設機械）
２旋回体
２１バッテリ
２２充電器（充電手段）
２３インバータ
２４電動モータ（電動機）
２５油圧回路
２５１油圧ポンプ
２５２コントロールバルブ（弁機構）
２５３リリーフ弁（弁機構）
２６コントローラ（制御手段）
２６１判定器
２６２判定器
２６３目標値設定器
２６４乗算器
２６５増幅器
２６６加算器
２６７乗算器
２６８判定器
２６９制御器
２７１電圧センサ（電圧検出手段）
２７２電流センサ（電流検出手段）
２７３油温センサ（油温検出手段）
２７４コンタクタ（第２切換手段）
２７５コンタクタ（第１切換手段）
２８運転室
２８１熱交換器（熱交換手段）
２８２制御スイッチ
２８３予熱スイッチ
９商用電源（外部電源）

Claims

バッテリと、バッテリ電力を制御するインバータと、このインバータの出力電力により駆動する電動機と、
この電動機によって駆動する油圧ポンプと、この油圧ポンプから吐出される圧油に熱を発生させる弁機構とを含む油圧回路と、
この油圧回路で温められた圧油の熱を交換する熱交換手段とを備えたバッテリ駆動式建設機械において、
上記バッテリに外部電源からの電力を利用して充電する充電手段と、
この充電手段の出力側の電圧を検出する電圧検出手段と、上記充電手段の出力側の電流を検出する電流検出手段と、上記油圧回路の上記圧油の温度を検出する油温検出手段と、
上記充電手段から上記バッテリへの電力の供給、供給停止を制御する第１切換手段と、上記充電手段から上記インバータへの電力の供給、供給停止を制御する第２切換手段とを備え、
上記充電手段の作動、作動停止を指示する制御スイッチから出力される信号に応じて上記第１切換手段を切り換え、充電時に運転室内の暖房をするかどうかを指示する予熱スイッチの信号に応じて上記第２切換手段を切り換えるとともに、上記電圧検出手段から出力される信号、上記電流検出手段から出力される信号、及び上記油温検出手段から出力される信号に応じて、上記充電手段の充電電力と発熱用電力とを制御する制御手段を備えたことを特徴とするバッテリ駆動式建設機械。